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1、课程设计报告 题目：基于 multisim的高频谐振功率 放大器设计与仿真 学生姓名： 学生学号： 系别：电气信息工程学院 专业：电子信息工程 届别： 14届 指导教师： 电气信息工程学院制 2013年 5 月 成绩 淮南师范学院电气信息工程学院2014 届电子信息工程专业课程设计报告 第 1 页（共 20 页） 基于 multisim的高频谐振功率放大器设计与仿真 学生： 指导教师： 电气信息工程学院电子信息工程专业 1 课程设计的任务与要求 1.1 课程设计的任务 在通信电路中，为了弥补信号在无线传输过程中的衰耗要求发射机具有较 大的功率输出，通信距离越远， 要求输出功率越大。 为了获得足
2、够大的高频输出 功率，必须采用高频功率放大器。 高频功率放大器是无线电发射没备的重要组成 部分。在无线电信号发射过程中， 发射机的振荡器产生的高频振荡信号功率很小， 因此在它后面要经过一系列的放大，如缓冲级、中间放大级、末级功率放大级等， 获得足够的高频功率后， 才能输送到天线上辐射出去。 本次课程设计的任务就是 设计一高频谐振功率放大器。 1.2 课程设计的要求 要求的技术指标为：输出功率Po125mW ，工作中心频率 fo=6MHz ，65% ， 已知：电源供电为12V，负载电阻 ,RL=51, 晶体管用2N2219,其主要参数： Pcm=1W,Icm=750mA,VCES=1.5V,fT
3、=70MHz,hfe10，功率增益 Ap13dB（20倍） 1.3 课程设计的研究基础 利用选频网络作为负载回路的功放称为谐振功放。根据放大器电流导通角的 范围可分为甲类、 乙类、丙类和丁类等功放。 电流导通角越小放大器的效率越高。 如丙类功放的小于180 度， 丙类功放通常作为发射机的末级，以获得较大的输 出功率和较高的功率。丙类谐振功率放大器原理图如图1 所示。 淮南师范学院电气信息工程学院2014 届电子信息工程专业课程设计报告 第 2 页（共 20 页） 图 1 谐振功率放大器的基本电路 谐振功率放大器的特点： （1）放大管是高频大功率晶体管，能承受高电压和大电流。 （2）输出端负载回
4、路为调谐回路，既能完成调谐选频功能，又能实现放大器输 出端负载的匹配。 （3）基极偏置电路为晶体管发射结提供负偏压，使电路工作在丙类状态。 （4）输入余弦波时，经过放大，集电极输出电压是余弦脉冲波形。 晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制 作用，谐振回路LC是晶体管的负载。功率放大器各分压与电流的关系如图2 所 示。 图 2 功率放大器各分压与电流关系 淮南师范学院电气信息工程学院2014 届电子信息工程专业课程设计报告 第 3 页（共 20 页） 图 3 iC(t)各次谐波的波形示意图 在对谐振功率放大器进行分析与计算时，关键在于直流分量和基波分量等前面几 项
5、利用周期函数傅立叶级数的公式，可以求出式（5-4）直流分量及各次谐波分 量，下面仅列出前面几项的表达式 0c I= maxc i Cos CosSin 1 1 = )( 0maxc i（1-1 式） 由于晶体管工作在丙类状态，晶体管集电极电流是一个周期性的余弦脉冲。由 傅立叶级数可知，一个周期性函数可以分解为许多余弦波（或正弦波）的叠加 。 可以将电流分解为 )(tiC cnmmcmcccnmmcmcc IIIItCosnItCosIII 210210 2（1-2 式） 分别为集电极电流的直流分量、基波分量以及各高次谐波分量的振幅 mc I 1 Cos CosSin ic 1 1 max =
6、)( 1maxc i（1-3 式） mc I 2 )1(3 22 max Cos CosSinCosSinic = )( 2maxc i（1-4 式） )( )1(12 33 3max max 3c c mc i Cos CosSinCosSini I（1-5 式） 只要知道电流脉冲的最大值和通角即可计算出直流分量、基波分量及各次谐波分 量。各次谐波分量变化趋势是谐波次数越高，其振幅越小。因此，在谐振放大器 中只需研究直流功率及基波功率。 放大器集电极直流电源提供的直流输入功率为 CODCDC IUP（1-6 式） 谐振功放集电极输出回路输出功率等于基波分量在谐振电阻RP上的功率为 淮南师范学
7、院电气信息工程学院2014 届电子信息工程专业课程设计报告 第 4 页（共 20 页） cmcmO UIP 1 2 1 （1-7 式） 集电极的功耗为 ODCC pPP（1-8 式） 放大器集电极能量转换效率等于输出功率与电源供给功率之比 )( 2 1 )( )( 2 1 2 1 1 0 1 0 1 g UI UI P p CCc cmc DC O （1-9 式） 甲类状态，180 c ，%50 乙类状态，90 c ，%5 .78 丙类状态，60 c ，%89 工作在丙类状态时，效率最高。 高频功率放大器因工作于大信号的非线性状态，不能用线性等效电路分析， 工程上普遍采用解析近似分析方法折线法
8、来分析其工作原理和工作状态。 高频放大器的工作状态是由负载阻抗Rp 、激励电压 b、供电电压 VCC 、VBB 等 4 个参量决定的。 为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就应该了 解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎样的变化。 如果 VCC 、VBB 、VB 3 个参变量不变， 则放大器的工作状态就由负载电阻Rp决定。 此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随Rp而变化的特性，就叫做放 大器的负载特性。电压、电流随负载变化波形如图4 所示。 淮南师范学院电气信息工程学院2014 届电子信息工程专业课程设计报告 第 5 页（共 20 页） 图 4 电压、电流随负载变化波形
9、放大器的输入电压是一定的，其最大值为Vbemax ，在负载电阻RP由小至 大变化时，负载线的斜率由小变大，如图中123。不同的负载，放大器的工 作状态是不同的 , 所得的 ic 波形、输出交流电压幅值、 功率、效率也是不一样的。 临界状态时负载线和eb max 正好相交于临界线的拐点。放大器工作在临界线状 态时，输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。欠压状态时 B 点以 右的区域。在欠压区至临界点的范围内，根据Vc=RpIc1，放大器的交流输出电 压在欠压区内必随负载电阻RP的增大而增大，其输出功率效率的变化也将如此。 过压状态时放大器的负载较大，在过压区，随着负载Rp 的加大， Ic
10、1 要下降， 因此放大器的输出功率和效率也要减小。根据上述分析， 可以画出谐振功率放大 器的负载特性曲线如图5 所示。欠压状态的功率和效率都比较低，集电极耗散功 率也较大，输出电压随负载阻抗变化而变化，因此较少采用。 但晶体管基极调幅， 需采用这种工作状态。 过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳且幅值较大， 在弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所下降，发射机的中间级、集电极调 幅级常采用这种状态。 淮南师范学院电气信息工程学院2014 届电子信息工程专业课程设计报告 第 6 页（共 20 页） 图 5 谐振功率放大器的负载特性曲线 调整欠压、临界、过压三种工作状态，大致有以下
11、几种方法：改变集电极 负载 Rp；改变供电电压 VCC ；改变偏压 VBB ；改变激励 Vb。改变 Rp ，但 Vb、VCC 、 VBB不变 当负载电阻 Rp由小至大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入 过压。在临界状态时输出功率最大。改变VCC ，但 Rp、Vb、VBB不变 当集电极 供电电压 VCC由小至大变化时，放大器的工作状态由过压经临界转入欠压。Vcc 变化时对工作状态的影响如图6 所示： 图 6 Vcc 变化是对工作状态的影响 在过压区中输出电压随VCC改变而变化的特性为集电极调幅的实现提供依 据；因为在集电极调幅电路中是依靠改变VCC 来实现调幅过程的。改变VCC 时， 其工
12、作状态和电流、功率的变化如图7 所示。 淮南师范学院电气信息工程学院2014 届电子信息工程专业课程设计报告 第 7 页（共 20 页） 图 7 改变 VCC时工作状态和电流、功率的变化 VCC 、VBB 、Rp不变， Vbm变化。当 Vbm自 0 向正值增大时，使集电极电流 脉冲的高度和宽度增大， 放大器的工作状态由欠压进入过压状态。当 Vbm自 0 向 正值增大时， 使集电极电流脉冲的高度和宽度增大，放大器的工作状态由欠压进 入过压状态。谐振功放的放大特性是指放大器性能随Vbm 变化的特性，其特性 曲线如图 8 所示。 图 8 Vbm 变化的特性 2 高频谐振功率放大器系统方案制定 2.1
13、 方案提出 2.1.1 系统电路结构框图 淮南师范学院电气信息工程学院2014 届电子信息工程专业课程设计报告 第 8 页（共 20 页） 图 9 系统框图 2.1.2 系统功能参数 已知： 此高频谐振功率放大器系统电路中， 电源供电为 12V， 负载电阻 ,RL=51 , 晶体管用 2N2219,其主要参数： Pcm=1W,Icm=750mA,VCES=1.5V,fT=70MHz,hfe 10，功率增益 Ap13dB（20 倍） 2.2 方案论证 在“低频电子线路”课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同， 将其分为甲、乙、丙三类工作状态。甲类放大器电流的流通角为360 度，适用于 小信号
14、低功率放大。 乙类放大器电流的流通角约等于180度；丙类放大器电流的 流通角则小于 180 度。乙类和丙类都适用于大功率工作。丙类工作状态的输出功 率和效率是三种工作状态中最高者。高频功率放大器大多工作于丙类。但丙类放 大器的电流波形失真太大，因而只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放 大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很 小。可是若仅仅是用一个功率放大器，不管是甲类或者丙类， 都无法做到如此大 的功率放大。综上，确定电路设计由两个模块组成， 第一模块是两级甲类放大器， 第二模块是一工作在丙类状态的谐振放大器，其作为功放输出级最好能工作在临 界状态，因为此时
15、输出交流功率最大，效率也较高， 一般认为此工作状态为最佳 工作状态。 两 级 甲 类 放 大 器 工 作 在 丙 类 状 态 的 谐 振 放 大 器 信 号 输 入 信 号 输 出 淮南师范学院电气信息工程学院2014 届电子信息工程专业课程设计报告 第 9 页（共 20 页） 3 高频谐振功率放大器系统方案设计 3.1 各单元模块功能介绍及电路设计 3.1.1 两级甲类谐振放大器模块 根据设计要求与参数计算设计的一级甲类谐振放大器如图9 所示。通过选 定基极偏置电阻值等方面使晶体管Q1工作在甲类状态，其中L、C3、C4 、R5构 成选频回路，通过调节可调电容C3使调谐回路选出与输入信号源相同
16、的频率， 在调谐回路中并联一电阻R，减小回路品质因数从而加宽通频带 图 10 一级甲类放大电路设计 为了提高增益， 本次电路采用了两级甲类放大，其级联的单元电路如图10 所示。 选频回路参数选择一致。采用级联的方式是牺牲通频带来换取高的电压增益的。 淮南师范学院电气信息工程学院2014 届电子信息工程专业课程设计报告 第 10页（共 20 页） 图 11 两级甲类放大电路设计 3.1.2 丙类谐振功率放大器模块 由 上 述 丙 类 功 放 参 数 计 算 结 果 结 合 丙 类 功 放 的 理 论 知 识 设 计 的 单 元 电 路 如 图 11 所 示 。 图 12 丙类功放原理图 淮南师范
17、学院电气信息工程学院2014 届电子信息工程专业课程设计报告 第 11页（共 20页） 3.2 电路参数的计算及元器件的选择 电路的主要参数有： Pcm=1W,Icm=750mA,VCES=1.5V,fT=70MHz,hfe10， 功率增益 Ap13dB （20 倍） ，选择两级甲类放大器放大输入电压，再由丙类放大 器获得较高的功率和效率， 并由具有滤波作用的调谐回路获得近似不失真的正弦 波信号。 3.3 特殊器件的介绍 放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、乙、丙三类工作状态。 甲类放大器电流的流通角为360 度，适用于小信号低功率放大。 乙类放大器电流 的流通角约等于180度；丙类放
18、大器电流的流通角则小于180度。乙类和丙类都 适用于大功率工作。丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。 高频功率放大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而只能 用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力， 回路 电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。可是若仅仅是用一个功率放大器， 不管是甲类或者丙类，都无法做到如此大的功率放大。综上，确定电路设计由两 个模块组成， 第一模块是两级甲类放大器， 第二模块是一工作在丙类状态的谐振 放大器，其作为功放输出级最好能工作在临界状态，因为此时输出交流功率最大， 效率也较高，一般认为此工作状态为最佳工作状
19、态。 3.4 系统整体电路图 设计的总体电路图如图12 所示 淮南师范学院电气信息工程学院2014 届电子信息工程专业课程设计报告 第 12页（共 20 页） 图 13 设计总图 4 高频谐振功率放大器系统仿真和调试 4.1 仿真软件介绍 随着计算机技术飞速发展，电路设计可以通过计算机辅助分析和仿真技 术来完成。计算机仿真在教学中的应用，代替了大包大揽的试验电路， 大大减轻 验证阶段的工作量；其强大的实时交互性、信息的集成性和生动直观性，为电子 专业教学创设了良好的平台， 并能保存仿真中产生的各种数据，为整机检测提供 参考数据，还可保存大量的单元电路、元器件的模型参数。 采用仿真软件能满足 整
20、个设计及验证过程的自动化。 Multisim软件是一个专门用于电子线路仿真与 设计的 EDA 工具软件。作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具， Multisim 是一个完整的集成化设计环境。 Multisim的特点：(1) 直观的图形界面： 整个操作界面就像一个电子实验工作台， 绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标 可用导线将它们连接起来， 软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量 数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。(2) 丰富的元器件库： Multisim大大扩充了 EWB 的元器件库，包括基本元件、半导体器件、运算放大 器
21、、TTL和 CMOS 数字 IC、DAC 、ADC 及其他各种部件，且用户可通过元件编辑器 淮南师范学院电气信息工程学院2014 届电子信息工程专业课程设计报告 第 13页（共 20 页） 自行创建或修改所需元件模型， 还可通过 liT公司网站或其代理商获得元件模型 的扩充和更新服务。 (3) 丰富的测试仪器：除 EWB 具备的数字万用表、 函数信号 发生器、双通道示波器、扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪外， Multisim 新增了瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪。尤其与EWB 不同的是：所有仪器均可多台同时调用。4)完备的分析手段： 除了 EWB 提供的直 流工作点分
22、析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、参数 扫描分析、温度扫描分析、极点一零点分析、传输函数分析、灵敏度分析、最坏 情况分析和蒙特卡罗分析外，Multisim 新增了直流扫描分析、批处理分析、用 户定义分析、 噪声图形分析和射频分析等， 基本上能满足一般电子电路的分析设 计要求。网络分析仪和频谱分析仪。 (5) 强大的仿真能力： Multisim 既可对模拟 电路或数字电路分别进行仿真，也可进行数模混合仿真， 尤其是新增了射频 (RF) 电路的仿真功能。仿真失败时会显示出错信息、提示可能出错的原因，仿真结果 可随时储存和打印。本次设计电路就是利用multisim软件进行绘图并
23、仿真。 4.2 系统仿真实现 输入信号是一个频率为6.9MHz ，峰峰值为 150mv的正弦波信号。经过第 一级甲类放大器后输出波形如图13 所示，其峰峰值增大到872mv ，将输入信号 电压放大了。 图 14 一级放大后波形 经过两级放大后电压增益提高了，峰峰值变为25.0v ，如图 14 所示。 淮南师范学院电气信息工程学院2014 届电子信息工程专业课程设计报告 第 14页（共 20 页） 图 15 两级放大后波形 信 号 最 终 经 过 丙 类 放 大 器 放 大 ， 提 高 其 功 率 与 效 率 ， 仿 真 波 形 如 图 图 16 丙类放大器输出波形 淮南师范学院电气信息工程学院
24、2014 届电子信息工程专业课程设计报告 第 15页（共 20 页） 图 17 总电路图仿真波形 4.3 系统测试 输入信号是一个频率为6.9MHz ，峰峰值为 150mv的正弦波信号。通过示 波器可以测量出经过第一级甲类放大器后的输出波形的峰峰值达到1.02v, 经过 两级放大器后的输出波形的峰峰值达到了8.12v, 最后经过丙类放大器后由示波 器测得输出波形的峰峰值为20.4v 。 4.4 数据分析 由测得的数据可以得到， 输入信号经一级甲类放大器后，输入电压增大 了将近 7 倍，经过两级甲类放大器后，输入电压增大了将近56 倍，经过最后一 级丙类放大器后， 输入电压增大了将近140倍。并
25、在总电路图中通过测量得到输 入信号经过丙类放大器后，电路的功率增益将近20dB。 5 总结 本课程设计利用 Multisim 软件平台对高频丙类谐振功率放大器进行了仿 真研究 , 给出了其各种外部特性仿真分析结果, 现实了其功能验证 . Multisim是 一个优秀的高频电路仿真分析软件, 其强大的射频仿真分析功能改变了传统的高 频电子电路的分析、设计方法, 为设计出更合理、更优化的电子电路与系统提供 了一个快捷、高效的新途径。 淮南师范学院电气信息工程学院2014 届电子信息工程专业课程设计报告 第 16页（共 20 页） 6 参考文献 参考文献 1 曾兴雯 . 高频电子线路M. 高等教育出
26、版社，2004. 2 懂尚斌 . 高频电子线路实验指导M. 武汉大学电子信息学院，2003. 3 郭维芹 . 模拟电子线路实验M. 同济大学出版社，1985. 4 陆宗逸 . 非线性电子线路实验指导书M. 北京理工大学出版社 5 刘骋 .高频电子线路M. 西安 : 西安电子科技大学出版社,2003. 6 谢嘉奎 . 电子线路 - 非线性部分 M. 北京 : 高等教育出版社, 2000. 7 谢自美 . 电子线路设计 ?实验?测试第三版华中科技大学出版社 8 杨翠娥 . 高频电子线路实验与课程设计，杨翠娥哈尔滨工程大学出版社 9 何中庸 . 高频电路设计与制作，科学出版社,2002. 10 谢沅
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28、线路的功率放大效率提高。系统的总电路图如下所示： 淮南师范学院电气信息工程学院2014 届电子信息工程专业课程设计报告 第 17页（共 20 页） 器件清单 组件名称型号及参数数量 三极管Q2N2219 3 电感500nH ，3.9uH，1uH 7 变容二极管DIODE VERACTOR 2 固定电阻（ Resistor ） 10 2 20 1 1k 2 2k 1 6.8k 2 10k 3 15k 1 20k 1 22k 1 电容（ Capacitor ） 1.5nf 2 100nf 2 470nf 2 发光二极管LED 1 直流电源（ DC Power ）+12V 1 淮南师范学院电气信息工程学院2014 届电子信息工程专业课程设计报告 第 18页（共 20 页） 指导教师评语 成绩 评定 指导教师签字： 年月日 答辩小组评语 成绩 评定 答辩小组签字： 年月日 淮南师范学院电气信息工程学院2014 届电子信息工程专业课程设计报告 第 19页（共 20 页）